一种生态硅酸盐水泥及其制备方法与流程

1.本技术涉及水泥领域，更具体地说，它涉及一种生态硅酸盐水泥及其制备方法。


背景技术：

2.水泥是一种粉状水硬性无机胶凝材料，其加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，将砂和石等材料牢固地胶结在一起。长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。硅酸盐水泥，是指以硅酸钙为主要原料，加入5％以下的石灰石或粒化高炉矿渣以及适量石膏制成的水硬性胶凝材料。
3.随着我国产业结构的调整，高能耗的产业逐渐被列入了淘汰或者限制类产业目录，面对资源短缺的现状，废弃物资源化利用已是生产硅酸盐水泥较为常见的技术，但将矿渣等固体废弃物作为硅酸盐水泥原料加入后，硅酸盐水泥的力学性能减弱。


技术实现要素：

4.为了提高加入固体废弃物后硅酸盐水泥的力学性能，本技术提供了一种生态硅酸盐水泥及其制备方法。
5.第一方面，本技术提供一种生态硅酸盐水泥，其采用如下技术方案：一种生态硅酸盐水泥，其包括如下重量份的原料：硅酸盐水泥熟料20-40份、粉煤灰20-40份、矿渣50-70份、煤矸石40-60份、柠檬酸三钠10-20份、脱硫石膏8-12份、超细沸石粉5-10份、矿粉15-20份。
6.通过采用上述技术方案，添加的粉煤灰、矿渣和煤矸石，能够对工业废渣进行充分利用，节省了环境资源，使硅酸盐水泥资源化生产。其中，粉煤灰是燃烧电厂和城市集中供热系统煤粉燃烧锅炉产生的工业废渣，其可作为二氧化硅和氧化铝的来源，与硅酸盐水泥熟料颗粒形成连续的颗粒级配，起到润滑作用，以减少硅酸盐水泥的需水量；另外，粉煤灰替代部分硅酸盐水泥熟料的加入。
7.矿渣是生铁生产中的一种废渣，经高温煅烧的废渣中的钙质组分以氧化钙和氢氧化钙的形式存在，矿渣的掺量较大，可减少硅酸盐水泥熟料的用量，从而起到节省资源的作用。且粉煤灰和矿渣同时加入，可延长硅酸盐水泥的凝结时间，并提高硅酸盐水泥的后期强度。
8.煤矸石的加入，同样可减少硅酸盐水泥熟料的用量，起到节省资源的作用。另外，煤矸石、粉煤灰和矿渣作为凝胶材料同时加入，可提高硅酸盐水泥3d和28d的强度，柠檬酸三钠对煤矸石、粉煤灰、矿渣和硅酸盐水泥熟料具有促凝作用，提高硅酸盐水泥的促凝效果。
9.脱硫石膏含有一定量的碳酸钙，用脱硫石膏代替天然石膏加入，可节省生产成本，减少硅酸盐水泥的需水量，提高硅酸盐水泥的安定性和力学性能。超细沸石粉主要成分是二氧化硅，其加入可提高硅酸盐水泥的动态屈服应力、塑性粘度和触变环面积，从而改善硅酸盐水泥的安定性，最终提高硅酸盐水泥的力学性能。
10.掺入适量的矿粉，可改善硅酸盐水泥的流动度，降低水泥水化热，提高水泥的抗渗能力，改善后期强度，改善水泥后期强度；另外，矿粉能延缓胶凝材料的水化速度，延长硅酸盐水泥的凝结时间，便于加工，同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少硅酸盐水泥结构早期温度裂缝，提高硅酸盐水泥密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。
11.作为优选：一种生态硅酸盐水泥，其包括如下重量份的原料：硅酸盐水泥熟料25-35份、粉煤灰25-35份、矿渣55-65份、煤矸石45-55份、柠檬酸三钠14-18份、脱硫石膏9-11份、超细沸石粉7-9份、矿粉17-19份。
12.本技术中的生态硅酸盐水泥可选用硅酸盐水泥熟料25-35份、粉煤灰25-35份、矿渣55-65份、煤矸石45-55份、柠檬酸三钠14-18份、脱硫石膏9-11份、超细沸石粉7-9份、矿粉17-19份，硅酸盐水泥的各性能较好，且在硅酸盐水泥熟料30份、粉煤灰30份、矿渣60份、煤矸石50份、柠檬酸三钠16份、脱硫石膏10份、超细沸石粉8份、矿粉18份，效果最佳。
13.作为优选：所述沸石粉通过乙酸乙酯处理改性而得。
14.作为优选：所述超细沸石粉改性具体包括如下操作步骤：将低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂以1：(1-3)比例混合，加至乙酸乙酯中，搅拌20-30min，加至超细沸石粉，搅拌20-30min，干燥，粉碎至粒径250-300目，得到改性超细沸石粉。
15.通过采用上述技术方案，低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂同时使用，可提高力学性能。因此先将低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂溶解于乙酸乙酯中，在采用乙酸乙酯对超细沸石粉进行改性，超细沸石粉具有较高的比表面积，溶解在乙酸乙酯中的低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂被吸附在超细沸石粉表面，低分子量聚酰胺固化剂的胺基基团与超细沸石粉表面的硅羟基基团发生交联，可明显提高超细沸石粉的强度和粘性，改性超细沸石粉与硅酸盐水泥熟料中的氢氧化钙反应生成硅酸钙水化物，促进硅酸盐水泥熟料水化，提高硅酸盐水泥的强度。
16.作为优选：所述生态硅酸盐水泥还包括如下重量份的原料：氧化石墨烯1-3份。
17.通过采用上述方案，加入氧化石墨烯，可提高硅酸盐水泥的抗压、抗拉和抗弯强度，同时降低了硅酸盐水泥的渗水率；同时，加入氧化石墨烯，可减少硅酸盐水泥熟料的使用，降低了生产硅酸盐水泥时二氧化碳的排放量，起到减排作用。
18.作为优选：所述生态硅酸盐水泥还包括如下重量份的原料：蔗糖6-15份。
19.通过采用上述技术方案，由于氧化石墨烯加至硅酸盐水泥原料中后，氧化石墨烯片层会与硅酸盐水泥熟料内部的钙离子发生配位络合作用，从而极易在硅酸盐水泥体系中团聚，加入蔗糖可改善氧化石墨烯和粉煤灰在硅酸盐水泥中的分散效果，且其还具有螯合作用，提高硅酸盐水泥的流动性。
20.作为优选：所述氧化石墨烯与蔗糖的重量份配比为1:(3-7)。
21.通过采用上述技术方案，调节氧化石墨烯与蔗糖的重量份配比，可进一步改善氧化石墨烯和粉煤灰在硅酸盐水泥中的分散效果，从而提高硅酸盐水泥的强度。
22.作为优选：所述生态硅酸盐水泥还包括如下重量份的原料：短切碳纤维0.1-0.5份。
23.通过采用上述技术方案，加入短切碳纤维，可提高硅酸盐水泥的强度和韧性，还可减少硅酸盐水泥开裂；另外，氧化石墨烯还可提高短切碳纤维在硅酸盐水泥体系中的分散均匀性。从而提高硅酸盐水泥的力学性能和抗裂性。
24.作为优选：所述矿物指标满足：c3s≤60％、c2s≥20％、c3a≤5％、f-cao≤1％、c4af≥16％；所述硅酸盐水泥熟料率值为kh＝0.5-1.0，n＝2-7，p＝0.5-1.0。
25.第二方面，本技术提供一种上述任一项生态硅酸盐水泥的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：一种生态硅酸盐水泥的制备方法，其包括以下操作步骤：将生态硅酸盐水泥各原料混合球磨，得到生态硅酸盐水泥。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：(1)本技术通过控制生态硅酸盐水泥各原料的种类和掺量，使生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为59mpa和9.1mpa，磨损量为1.7kg/m2，提高了硅酸盐水泥的强度。
27.(2)本技术通过对沸石粉进行乙酸乙酯处理改性，使生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为60mpa和9.3mpa，磨损量为2.4kg/m2，，可进一步提高硅酸盐水泥的力学性能。
28.(3)本技术通过在生态硅酸盐水泥原料中加入氧化石墨烯与蔗糖，并控制其用量配比，使生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为63mpa和9.8mpa，磨损量为1.9kg/m2，提高了硅酸盐水泥的强度。
29.(4)本技术通过在生态硅酸盐水泥原料中加入氧化石墨烯与蔗糖的基础上加入短切碳纤维，使生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为65mpa和10.1mpa，磨损量为1.7kg/m2，进一步提高了硅酸盐水泥的强度。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细说明。
31.本技术中的如下各原料均为市售产品，具体为：粉煤灰，粒径为325目；矿渣，等级a级，有效物质含量为95％；煤矸石，粒径325目；柠檬酸三钠，有效物质含量为99％；脱硫石膏，粒径为200目；超细沸石粉，粒径为325目，二氧化硅含量为69.9％；矿粉，粒径为1250目；低分子量聚酰胺固化剂，粘度为23000mpa
·
s/40℃，分子量为600-1100；间苯二胺固化剂，分子量为108.1411；乙酸乙酯；氧化石墨烯，单层片径0.5～10μm；短切碳纤维，长度1-3mm。
32.实施例1一种生态硅酸盐水泥，其通过如下操作步骤制备得到：按照表1的掺量，将硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、矿渣、煤矸石、柠檬酸三钠、脱硫石膏、超细沸石粉和矿粉混合，球磨，得到生态硅酸盐水泥。
33.实施例2-3实施例2-3的生态硅酸盐水泥与实施例1的制备方法及原料种类完全相同，区别在于各原料掺量不同，具体详见表1所示。
34.表1实施例1-3的生态硅酸盐水泥的各原料掺量(单位：kg)原料实施例1实施例2实施例3硅酸盐水泥熟料303030粉煤灰303030矿渣606060煤矸石505050
柠檬酸三钠101520脱硫石膏101010沸石粉888矿粉181818实施例4实施例4的生态硅酸盐水泥与实施例2的制备方法及原料掺量完全相同，区别在于沸石粉通过乙酸乙酯处理改性而得，超细沸石粉改性具体包括如下操作步骤：将低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂以1:2比例混合，加至乙酸乙酯中，搅拌30min，加至超细沸石粉，搅拌30min，干燥，粉碎至粒径300目，得到改性超细沸石粉，其余原料种类与实施例2相同。
35.实施例5实施例5的生态硅酸盐水泥与实施例4的制备方法及原料掺量完全相同，区别在于生态硅酸盐水泥原料中还添加有2kg的氧化石墨烯，其余原料种类和掺量与实施例4相同。
36.实施例6-9实施例6-9的生态硅酸盐水泥与实施例4的制备方法及原料种类完全相同，区别在于各原料种类和掺量不同，具体详见表2所示。
37.表2实施例6-9的生态硅酸盐水泥的各原料掺量(单位：kg)原料实施例6实施例7实施例8实施例9硅酸盐水泥熟料30303030粉煤灰30303030矿渣60606060煤矸石50505050柠檬酸三钠15151515脱硫石膏10101010沸石粉8888矿粉18181818氧化石墨烯2313蔗糖61576实施例10-12实施例10-12的生态硅酸盐水泥与实施例7的制备方法及原料种类完全相同，区别在于生态硅酸盐水泥原料中还添加有短切碳纤维，具体详见表3所示。
38.表3实施例10-12的生态硅酸盐水泥的各原料掺量(单位：kg)原料实施例10实施例11实施例12硅酸盐水泥熟料303030粉煤灰505050矿渣202020硅锰渣666脱硫石膏101010沸石粉888
纳米氧化铁棕252525矿粉181818短切碳纤维0.10.30.5实施例13实施例13的生态硅酸盐水泥与实施例11的制备方法及原料掺量完全相同，区别在于生态硅酸盐水泥原料中还添加有3kg的氧化石墨烯和15kg的蔗糖，其余原料种类和掺量与实施例11相同。
39.对比例1对比例1的生态硅酸盐水泥与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：生态硅酸盐水泥原料中未添加柠檬酸三钠，其余原料种类及掺量与实施例1相同。
40.性能检测采用以下检测方法及标准，分别对实施例1-13和对比例1的生态硅酸盐水泥进行检测，检测结果具体详见表4。
41.抗压强度：按照gb/t17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》对生态硅盐酸水泥进行28d抗压强度的检测。
42.抗折强度：按照gb/t17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》对生态硅盐酸水泥进行28d抗折强度的检测。
43.磨损量：按照jc/t421—2005《水泥胶砂耐磨性试验方法》对生态硅盐酸水泥进行28d磨损量的检测。
44.水泥净浆流动度：按照jc/t1083-2008《水泥与减水剂相容性试验方法》对30min后的生态硅盐酸水泥进行水泥净浆流动度的检测。
45.表4不同生态硅酸盐水泥的性能检测结果
由表4的检测结果表明，本技术得到的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度最高分别为65mpa和10.1mpa，磨损量最低为1.7kg/m2，水泥净浆流动度最高为269mm，在提高了生态硅酸盐水泥强度的同时具有较高的相容性，且通过选用粉煤灰、矿渣和煤矸石等固体废渣，节省了环境资源。
46.实施例1-3中，实施例2的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为59mpa和9.1mpa，均高于实施例1和实施例2；磨损量为1.7kg/m2，均低于实施例1和实施例2；表明实施例2生态硅酸盐水泥原料中的柠檬酸三钠的掺量较为合适，提高了硅酸盐水泥的强度，可能与柠檬酸三钠对煤矸石、粉煤灰、矿渣和硅酸盐水泥熟料具有促凝作用，提高硅酸盐水泥的促凝效果有关。
47.结合实施例2和实施例4生态硅酸盐水泥的性能检测数据发现，实施例4的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为60mpa和9.3mpa，均高于实施例2；磨损量为2.4kg/m2，均低于实施例2；表明实施例2生态硅酸盐水泥原料中对沸石粉进行乙酸乙酯处理改性，可进一步提高硅酸盐水泥的强度，可能与低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂同时使用，可提高力学性能。因此先将低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂溶解于乙酸乙酯中，在采用乙酸乙酯对超细沸石粉进行改性，超细沸石粉具有较高的比表面积，溶解在乙酸乙酯中的低分子量聚酰胺固化剂和间苯二胺固化剂被吸附在超细沸石粉表面，低分子量聚酰胺固化剂的胺基基团与超细沸石粉表面的硅羟基基团发生交联，可明显提高超细沸石粉的强度和粘性有关。
48.实施例5-9中，实施例7的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为63mpa和9.8mpa，均高于实施例5-6和实施例8-9；磨损量为1.9kg/m2，均低于实施例5-6和实施例8-9；表明实施例7生态硅酸盐水泥原料中氧化石墨烯与蔗糖的质量比为1:5较为合适，可提高硅酸盐水泥的强度，可能与加入蔗糖可改善氧化石墨烯和粉煤灰在硅酸盐水泥中的分散效果，且其还具有螯合作用，提高硅酸盐水泥的流动性有关。
49.实施例10-12中，实施例11的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为64mpa和9.9mpa，均高于实施例10和实施例12；磨损量为1.9kg/m2，均低于实施例10和实施例12；表明实施例11生态硅酸盐水泥原料中短切碳纤维的掺量较为合适，提高了硅酸盐水泥的强度，可能与加入蔗糖可改善氧化石墨烯和粉煤灰在硅酸盐水泥中的分散效果，且其还具有螯合作用，提高硅酸盐水泥的流动性有关。
50.结合实施例13和实施例11生态硅酸盐水泥的性能检测数据发现，实施例13的生态硅酸盐水泥的抗压强度、抗折强度分别为65mpa和10.1mpa，均高于实施例11；磨损量为
1.7kg/m2，均低于实施例11；表明实施例13生态硅酸盐水泥原料在加入短切碳纤维的基础上加入氧化石墨烯和蔗糖，可进一步提高硅酸盐水泥的强度。
51.另外，结合对比例1和实施例1的各项指标数据发现，本技术在硅酸盐水泥原料中加入柠檬酸三钠，可提高硅酸盐水泥的强度，并保证加入固体废渣后的水泥净浆流动性。
52.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。